CN211734979U

CN211734979U - 基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备

Info

Publication number: CN211734979U
Application number: CN201922419775.3U
Authority: CN
Inventors: 刘晓江; 刘昊; 徐正卫; 章一颖; 张东长; 王进勇; 侯晓宁; 青光焱; 赖思静; 唐智伦; 胡晓阳; 王昌华; 罗建群; 高博; 彭吉瑞; 叶伟
Original assignee: Highway Information Technology (chongqing) Co Ltd Of China Merchants Group
Current assignee: Highway Information Technology (chongqing) Co Ltd Of China Merchants Group
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2029-12-26

Abstract

本实用新型提供的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，包括感知单元、定位单元和速度拟合单元；感知单元用于采集路面声学信号和胎压变化信号；定位单元用于提供定位信息，速度拟合单元用于提供行车速度，感知单元、定位单元和速度拟合单元分别与数据处理单元相连接，分别将采集的路面声学信号信息、胎压变化信号信息、定位信息和行车速度信息发送至数据处理单元。根据感知单元、定位单元和速度拟合单元模拟“耳听”和“体感”的驾乘感受，获得路面信息真实有效。并通过数据数据处理单元计算，并输出模拟信息结果，用于准确评价路面行车舒适度和路面形成安全度，为公众出行提供数据信息服务。

Description

基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备

技术领域

本实用新型涉及道路工程感知与测量技术领域，具体涉及基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备。

背景技术

公路交通是交通运输行业重要一环，截止2018年底我国公路总里程已达484.65万公里、高速公路达14.26万公里，居世界第一。如此庞大公路交通系统给我国的公路管养提出了巨大的挑战。然而，传统的人工检测方法检测时间长、劳动强度大、检测速度低以及会影响正常的交通秩序。

专利CN110516564A公开了一种路面检测方法和装置，涉及图像处理技术领域，该方法包括：通过激光雷达实时获取机动车行进方向及行进方向两侧的点云数据作为初始点云数据；对初始点云数据进行预处理得到预设空间范围内的点云数据作为目标点云数据；利用平面检测算法对所述目标点云数据进行数据处理，得到路面数据。通过该方式可以在自动驾驶时实时检测路面的状况，为自动驾驶规划行驶路径。

专利CN104878680B公开了一种路面检测装置，包括检测车、安装在检测车前端下部的横杆、多个激光位移传感器、A/D转换模块、微处理器模块、存储模块、无线传输模块和GPS模块；多个激光位移传感器等间隔安装在横杆上；激光位移传感器的输出端通过A/D转换模块与分别于微处理器模块和存储模块连接；微处理器模块的输出端与无线传输模块连接；GPS模块的数据传输端与微处理器模块的数据传输端连接。该方案精度高，实时将数据传输到远程中心进行处理，实时性好，且能够根据实际需要方便地调节使用结构，具有很好的推广应用前景。

但是上述现有技术普遍采用激光、图像等测量方式对路面质量进行自动化的检测，但是激光受天气影响较大、检测条件受限；图像识别大多依靠人工进行辅助进行判定。而且通过激光、图像的测量方式得出的评价结果与路面真实质量状况以及驾乘人员的路面驾乘体验不完全一致；因此该检测方式并不能真实的反映车辆行驶的舒适度、安全性和道路的使用期限，也不能为决策者提供真实有效的数据支撑。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，解决检测结果并不能真实的反映车辆行驶的舒适度、安全性的问题。

本实用新型提供的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，包括感知单元、定位单元和速度拟合单元；感知单元用于采集路面声学信号和胎压变化信号；定位单元用于提供定位信息；所述速度拟合单元用于提供行车速度；感知单元、定位单元和速度拟合单元分别与数据处理单元相连接，分别将采集的路面声学信号信息、胎压变化信号信息、定位信息和行车速度信息发送至数据处理单元。

进一步的，感知单元包括麦克风传感器和动态胎压传感器，麦克风传感器设置在车辆上，位于车辆的后轮胎位置处，用于采集行车过程中轮胎与路面的摩擦所产生的路面声学信号；动态胎压传感器设置在车辆的后轮胎上，用于采集车辆行车过程中轮胎内部胎压变化信号；麦克风传感器、动态胎压传感器分别与信号调理电路相连接，信号调理电路的输出端连接有AD采集器，AD采集器的输出端和数据处理器单元相连接。

进一步的，定位单元包括GNSS接收机，GNSS接收机分别与数据处理单元相连接，GNSS接收机用于获取时间、位置和行车速度信息。

进一步的，定位单元还包括九轴传感器和双目摄像机，九轴传感器、双目摄像机分别与数据处理单元相连接；九轴传感器采集车辆的加速度信息、旋转角速度信息和磁场方向信息确定初始惯性导航起始坐标；所述双目摄像机用于拍摄行车过程中车辆前进方向上的最近的一个角点的位置信息。

进一步的，九轴传感器由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。

进一步的，速度拟合单元包括车轮编码器和CAN总线协议解析电路，所述车轮编码器与所述数据处理单元连接；CAN总线协议解析电路分别与汽车OBD接口和所述数据处理单元连接，CAN总线协议解析电路用于读取车辆的行车速度、发动机转速和里程信息，并将读取的信息发送至数据处理单元。

进一步的，车轮编码器为光电式旋转脉冲编码器，光电式旋转脉冲编码器安装在车辆的后轮轴上，车轮编码器产生的触发脉冲用于生成车辆的行驶距离信息，并传输至数据处理单元；车轮编码器产生的触发脉冲还用于触发感知单元进行路面数据采集工作。

进一步的，还包括无线控制单元和无线传输单元，所述无线控制单元和无线传输单元分别与数据处理单元相连接。

进一步的，还包括供电保护单元、HDMI高清接口、USB接口和 OBD接口，所述供电保护单元、HDMI高清接口、USB接口和OBD接口分别与数据处理单元相连接。

进一步的，信号调理电路和AD采集器集成在第一模块内；九轴传感器和GNSS接收机集成在第二模块内；无线控制单元、无线传输单元和供电保护单元集成在第三模块内；HDMI高清接口、USB接口和 OBD接口集成在第四模块内，第一模块、第二模块、第三模块和第四模块分别与数据处理单元相连接，并与数据处理单元共同设置在一个盒体内，所述盒体放置在车辆内座椅下方。

由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果：

1.本实用新型提供的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，包括感知单元、定位单元和速度拟合单元；感知单元、定位单元和速度拟合单元分别与数据处理单元相连接；感知单元用于采集路面声学信号和胎压变化信号；定位单元用于提供定位信息；速度拟合单元用于提供行车速度；数据处理单元用于将采集的路面胎噪信息、路面振动信息、定位信息和行车速度信息进行数据融合和分析。根据感知单元、定位单元和速度拟合单元模拟“耳听”和“体感”的驾乘感受，获得路面信息真实有效。并通过数据数据处理单元进行计算，输出模拟信息结果，以用于准确评价路面行车舒适度和路面形成安全度，为公众出行提供数据信息服务。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备的电路结构框图。

图2为基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备的应用场景示意图。

图3为基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备的物理结构示意图。

图4为基于驾乘感受的模块化路面智能感知系统框图。

附图标记：

1-车轮编码器，2-双目摄像机，3-麦克风传感器，4-动态胎压传感器，5-壳体，51-第一模块，52-第二模块，53-第三模块，54-第四模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示，基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，包括感知单元、定位单元和速度拟合单元；感知单元、定位单元和速度拟合单元分别与数据处理单元相连接；感知单元用于采集路面声学信号和胎压变化信号；定位单元用于提供定位信息；速度拟合单元用于提供行车速度；数据处理单元用于将采集的路面胎噪信息、路面振动信息、定位信息和行车速度信息进行数据融合和分析。根据感知单元、定位单元和速度拟合单元模拟“耳听”和“体感”的驾乘感受，并通过数据处理单元分析、输出模拟信息结果，以用于评价路面行车舒适度和路面形成安全度，为公众出行提供数据信息服务。

感知单元包括麦克风传感器和动态胎压传感器，麦克风传感器设置在车辆上，位于车辆的后轮胎位置处，用于采集行车过程中轮胎与路面的摩擦所产生的路面声学信号，如：路面噪音、风噪、引擎噪音和交通噪音等声学信号。动态胎压传感器设置在车辆的后轮胎上，用于采集车辆行车过程中轮胎内部胎压变化信号；麦克风传感器、动态胎压传感器分别与信号调理电路相连接，信号调理电路将接收到的麦克风传感器、动态胎压传感器的信号进行数据信号和电源信号的隔离、滤波和放大形成适合进行传输和信号处理的调理信号；信号调理电路的输出端连接有AD采集器，AD采集器将信号调理电路传输的模拟信号量转化为数字信号；AD采集器的输出端和数据处理器单元相连接。

速度拟合单元包括车轮编码器和CAN总线协议解析电路，车轮编码器与所述数据处理单元连接；CAN总线协议解析电路分别与汽车 OBD接口和数据处理单元连接，CAN总线协议解析电路用于读取车辆的行车速度、发动机转速和里程信息，并将读取的信息发送至数据处理单元。以CAN总线解析得到的速度数据，再经过卡尔曼滤波和拟合处理后为准确的速度信息。

车轮编码器为光电式旋转脉冲编码器，光电式旋转脉冲编码器安装在车辆的后轮轴上，车轮编码器产生的触发脉冲用于生成车辆的行驶距离信息，并传输至数据处理单元；车轮编码器产生的触发脉冲还用于触发感知单元进行路面数据采集工作。

定位单元包括GNSS接收机，GNSS接收机分别与数据处理单元相连接，GNSS接收机用于获取时间、位置和行车速度信息。在GPS信号较强的区域，通过GNSS接收机可获得车辆行驶过程有效的位置信息和速度信息，同时通过CAN总线协议解析电路从车辆OBD接口读取车辆实时速度，数据处理器单元根据车辆行驶过程有效的位置信息和速度信息以及从车辆OBD接口读取车辆实时速度计算进行车辆定位。

定位单元还包括九轴传感器和双目摄像机，九轴传感器、双目摄像机分别与数据处理单元相连接。九轴传感器由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成，用于实时感知行车过程中车体的运动信息，包括车辆的航向角、俯仰角、倾角、三轴角速度信号，X、Y、 Z三轴加速度信号，与东南西北四个方向上的夹角方向信号。当车辆行驶至GPS信号弱的区域时，无法通过GNSS接收机获取速度信息。九轴传感器采集车辆的加速度信息、旋转角速度信息和磁场方向信息确定初始惯性导航起始坐标，双目摄像机用于拍摄行车过程中车辆前进方向上的最近的一个角点的位置信息。数据处理器单元根据车辆根据九轴传感器采集的车辆信息和双目摄像机拍摄的角点的位置信息进行进行，得到定位信息。

基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备还包括无线控制单元、无线传输单元、供电保护单元、HDMI高清接口、USB接口和OBD接口。无线控制单元、无线传输单元、供电保护单元、HDMI高清接口、USB 接口和OBD接口分别与数据处理单元相连接。HDMI高清接口、USB接口和OBD接口用于外接其他设备。供电保护单元用于对外接电源进行稳压、稳流、防反接和滤波保护。

无线控制单元用于近距离内对设备进行无线操作与控制，无线控制单元设置有WLAN无线控制电路，WLAN无线控制电路为一个支持 IEEE 802.11a/b/g/n和802.11ac的无线数据通信模组，用于本地无线局域网内的控制指令的数据收发，从而对感知单元进行指令控制。 WLAN无线控制电路与数据处理单元连接，并将控制指令信号传输到数据处理单元。

无线传输单元包括LTE无线传输电路，LTE无线传输电路为一个支持4G/5G的移动通信模组，用于将所述感知单元感知到的路面声学数字信号、胎压变化数字信号以及所述数据处理单元输出的数字信号通过空口回传到云端服务器。所述LTE无线传输电路所述数据处理单元连接，并将所述数据处理单元中保存的数字信号传输到云端服务器。

如图2-图3所示，车轮编码器安装于车后轮处，双目摄像机设置在车辆前方挡风玻璃处，麦克风传感器设置在车辆上，位于车辆的后轮胎位置处，动态胎压传感器设置在车辆的后轮胎上。信号调理电路和AD采集器集成在第一模块内；九轴传感器和GNSS接收机集成在第二模块内；无线控制单元、无线传输单元和供电保护单元集成在第三模块内；HDMI高清接口、USB接口和OBD接口集成在第四模块内，第一模块、第二模块、第三模块和第四模块分别与数据处理单元相连接，并与数据处理单元共同设置在一个盒体内，盒体放置在车辆内座椅下方。

实施例2

如图4所示，将实施例1中的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备运用到基于驾乘感受的模块化路面智能感知系统中。基于驾乘感受的模块化路面智能感知系统包括基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备和数据处理单元。

数据处理单元包括处理器，以及与处理器相连接的RAM储存单元、声学信号处理算法单元、胎压信号处理算法单元、定位算法单元和行车速度拟合算法单元；RAM储存单元分别与声学信号处理算法单元、胎压信号处理算法单元、定位算法单元和行车速度拟合算法单元相连接，用于缓存感知单元、定位单元和速度拟合单元的数字信号；声学信号处理算法单元根据采集的路面声学信号，计算路面构造深度；胎压信号处理算法单元根据动态胎压传感器采集的车辆行进过程中的胎压变化信号，计算路面国际平整度；定位算法单元根据定位单元提供的定位信息计算车辆的位置信息；行车速度拟合算法单元利用速度拟合单元的输出信号和GNSS接收机的输出速度信号计算当前行车速度信息。

声学信号处理算法单元计算路面构造深度具体为：将感知到的声学信号在0～2KHZ频率范围进行计权滤波以对各个频点的声学信号进行声压级的增益或者衰减；然后将计权滤波后的声学信号进行小波变换到频域，并通过截止频率为700HZ的低通滤波器；对滤波后的频域声学信号进行加窗处理并通过主成分分析法提取第一主成分分量信号，最后通过基于马尔科夫蒙特卡洛的概率径向基函数对该包罗信号进行预测得出路面微观构造深度的值。

胎压信号处理算法单元计算路面国际平整度具体为：当车辆处于静止状态时，数据处理单元通过九轴传感器测得车辆当前振动的加速度和方向，由动态胎压传感器测得车辆当前轮胎内的胎压变化，根据加速度和胎压变化信息计算得到车辆振动的转换系数；在已知国际平整度指数的路面上，采集动态胎压信号，结合车辆的加速度和车辆振动的转换系统得到路面平整度的转换系数；最后通过动态胎压传感器和九轴传感器计算出路面国际平整度指数。

由于：车辆行驶过程中轮胎内部的胎压变化主要由车辆自身的振动和路面的平整度两部分引起，即V_dtps＝H_vibration·a_vibration+H_pavement·a_pavement，其中V_dtps表示路面国际平整度指数，H_vibration表示车辆振动的转换系数， a_vibration表示振动引起的加速度，H_pavement表示路面平整度的转换系数， a_pavement表示路面不平整度引起的加速度。

当车辆处于静止状态时给予车辆振动激励，此时轮胎内部的胎压变化则完全由车辆自身振动引起，即V_dtps＝H_vibration·a_vibration。由九轴传感器测得当前振动的加速度和方向，由动态胎压传感器测得当前车辆轮胎内的胎压变化，由当前的加速度和胎压变化信息通过函数转换法得出车辆振动的转换系数H_vibration。通过在已知路面国际平整度指数的大量试验路面进行动态胎压信号的采集并结合加速度数据、车辆振动转换系数得出路面平整度的转换系数H_pavement。由此通过动态胎压传感器和九轴传感器则可以计算出路面国际平整度指数。

定位算法单元进行定位的具体方法为：

在GPS信号较强的区域，通过GNSS接收机可获得车辆行驶过程有效的位置信息和速度信息，同时通过CAN总线协议解析电路从车辆 OBD接口读取车辆实时速度。用GNSS接收机获取到的速度数据对CAN 总线解析得到的速度数据进行误差修正和卡尔曼滤波处理，以保证两种方式获得的速度信息的准确度一致。

当车辆行驶至GPS信号弱的区域时，无法通过GNSS接收机获取速度信息。九轴传感器采集车辆的加速度信息、旋转角速度信息和磁场方向信息确定初始惯性导航起始坐标；双目摄像机用于拍摄行车过程中车辆前进方向上的最近的一个角点的位置信息，并通过图像特征提取角点的位置信息，建立三维坐标；数据处理单元通过不同时刻车辆在不同位置获取的同一参考点位置信息，并通过坐标转换到相邻时刻车辆位置的差值，更新车辆惯性导航位置。以CAN总线解析得到的速度数据，再经过卡尔曼滤波和拟合处理后为准确的速度信息。

行车速度拟合算法单元进行速度拟合的具体方法为：

在GPS信号较强的区域，通过GNSS接收机获取有效的速度信息，同时通过CAN总线协议解析电路从车辆OBD接口读取车辆实时速度。用GNSS接收机获取到的速度数据对CAN总线解析得到的速度数据进行误差修正和卡尔曼滤波处理，以保证两种方式获得的速度信息的准确度一致。当车辆行驶至GPS信号弱的区域时，无法通过GNSS接收机获取速度信息，则以CAN总线解析得到的速度数据，再经过卡尔曼滤波和拟合处理后为准确的速度信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims

1.基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：包括感知单元、定位单元和速度拟合单元；所述感知单元用于采集路面声学信号和胎压变化信号；所述定位单元用于提供定位信息；所述速度拟合单元用于提供行车速度；

所述感知单元、定位单元和速度拟合单元分别与数据处理单元相连接，分别将采集的路面声学信号信息、胎压变化信号信息、定位信息和行车速度信息发送至数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述感知单元包括麦克风传感器和动态胎压传感器，所述麦克风传感器设置在车辆上，位于车辆的后轮胎位置处，用于采集行车过程中轮胎与路面的摩擦所产生的路面声学信号；所述动态胎压传感器设置在车辆的后轮胎上，用于采集车辆行车过程中轮胎内部胎压变化信号；

所述麦克风传感器、动态胎压传感器分别与信号调理电路相连接，所述信号调理电路的输出端连接有AD采集器，所述AD采集器的输出端和数据处理器单元相连接。

3.根据权利要求2所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述定位单元包括GNSS接收机，所述GNSS接收机分别与数据处理单元相连接，所述GNSS接收机用于获取时间、位置和行车速度信息。

4.根据权利要求3所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述定位单元还包括九轴传感器和双目摄像机，所述九轴传感器、双目摄像机分别与数据处理单元相连接；所述九轴传感器采集车辆的加速度信息、旋转角速度信息和磁场方向信息确定初始惯性导航起始坐标；所述双目摄像机用于拍摄行车过程中车辆前进方向上的最近的一个角点的位置信息。

5.根据权利要求4所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述九轴传感器由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。

6.根据权利要求5所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述速度拟合单元包括车轮编码器和CAN总线协议解析电路，所述车轮编码器与所述数据处理单元连接；

所述CAN总线协议解析电路分别与汽车OBD接口和所述数据处理单元连接，所述CAN总线协议解析电路用于读取车辆的行车速度、发动机转速和里程信息，并将读取的信息发送至数据处理单元。

7.根据权利要求6所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述车轮编码器为光电式旋转脉冲编码器，所述光电式旋转脉冲编码器安装在车辆的后轮轴上，所述车轮编码器产生的触发脉冲用于生成车辆的行驶距离信息，并传输至数据处理单元；所述车轮编码器产生的触发脉冲还用于触发感知单元进行路面数据采集工作。

8.根据权利要求7所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：还包括无线控制单元和无线传输单元，所述无线控制单元和无线传输单元分别与数据处理单元相连接。

9.根据权利要求8所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：还包括供电保护单元、HDMI高清接口、USB接口和OBD接口，所述供电保护单元、HDMI高清接口、USB接口和OBD接口分别与数据处理单元相连接。

10.根据权利要求9所述的基于驾乘感受的模块化路面智能感知设备，其特征在于：所述信号调理电路和AD采集器集成在第一模块内；所述九轴传感器和GNSS接收机集成在第二模块内；所述无线控制单元、无线传输单元和供电保护单元集成在第三模块内；所述HDMI高清接口、USB接口和OBD接口集成在第四模块内，所述第一模块、第二模块、第三模块和第四模块分别与数据处理单元相连接，并与数据处理单元共同设置在一个盒体内，所述盒体放置在车辆内座椅下方。